JP4586441B2 - 圧力センサ - Google Patents
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水晶振動素子を用いた圧力センサにあっては、印加した圧力にほぼ比例(2次曲線)して共振周波数が変化するため、周波数変化量と印加圧力との関係を2次方程式を用いて補正することによって、高精度の圧力測定が可能となる。
しかし、高精度な圧力測定を実現するためには、構造の複雑化、製造コストの増大という問題が生じる。即ち、図5は特許文献1に開示された従来の圧力センサの構成を示す断面図であり、この圧力センサは、対向する2つの壁面101、102に夫々第1及び第2の圧力入力口101a、102aを備え、且つ内部を真空又は不活性な雰囲気に保持されたケース100と、一端開口側を第1の壁面101に固定された第1の電着ベローズ103と、一端開口側を第2の壁面102に固定され且つ第2の電着ベローズ103と直列に配置された第2の電着ベローズ104と、両ベローズ103、104の他端間に介在する力伝達部材105と、撓みヒンジ107を介して力伝達部材105と連結された振動素子支持部材106と、力伝達部材105と振動素子支持部材106とによって夫々両端部を支持された板状の水晶振動素子110とを備えている。振動素子支持部材106は基部をケース内壁に固定されると共に、力伝達部材105との連結部に撓みヒンジ(ピボット)107を備えている。
圧力入力口101a、102aのうちの何れか一方から加わった圧力、或いは双方から加わった各圧力差によって、各電着ベローズ103、104が伸縮すると、両ベローズ間に挟まれた位置にある力伝達部材105の一端部105aが軸方向へ変位し、更に撓みヒンジ107を挟んで反対側に位置する他端部105bから水晶振動素子110に対して軸方向への圧力が加わり、水晶振動素子が機械的に変形してその固有周波数が変動する。水晶振動素子に加わる圧力による水晶振動素子の共振周波数の変化によって外部圧力の変化を高精度に測定することができる。具体的には、水晶振動素子100を構成する水晶基板に形成した励振電極に通電して水晶基板を励振させることによって周波数を検出し、この検出周波数の変動値に基づいて圧力を算出する。
また、低価格化のために、低価格の成形ベローズや、撓みヒンジをなくした構造の力伝達部材を用いたタイプも提案されているが、このタイプの圧力センサにあっては印加する圧力を増加させてゆくと、水晶振動素子への軸方向の力以外に曲げ応力成分が発生してくるため、直線的な周波数変化(2次方程式)が得られなくなり、3次の係数を含む3次曲線の関係が発生し、周波数変化量と印加圧力との関係を2次方程式により補正する方式では精度が劣化するという欠点があった。
請求項2の発明は、対向する第1及び第2の壁面に夫々第1の圧力入力口と第2の圧力入力口とを備えた気密ケースと、該第1の壁面に一端を固定されると共に第1の圧力入力口と連通する軸穴を備えた円筒型の第1のベローズと、該第2の壁面に一端を固定されると共に第2の圧力入力口と連通する軸穴を備えた円筒型の第2のベローズと、該第1及び第2のベローズの各他端同士の間に固定配置される振動素子接着台座と、該振動素子接着台座によって一端を固定され、他端を前記第2の壁面によって固定された圧電振動素子と、前記第2のベローズを間に挟んで前記圧電振動素子と対向する位置に、前記振動素子接着台座によって一端を固定され、他端を前記第2の壁面によって固定された圧電補強板と、を備え、前記第1のベローズの軸穴は第2のベローズの軸穴よりも小径であり、前記第1のベローズの他端は第2のベローズの他端から該第2のベローズの軸穴内に同軸上に入り込んでおり、前記第1のベローズの他端は第2のベローズの他端から該第2のベローズの軸穴内に同軸上に入り込んでおり、前記振動素子接着台座は、前記第1のベローズの他端部に固定される中央板と、該中央板の外周縁から前記第1の壁面に向かって筒状に延びる筒状部と、該筒状部の先端を外側へ向けて折り返した折り返し部と、を有し、前記第2のベローズの他端は前記折り返し部に固定され、前記圧電振動素子の前記一端は、前記折り返し部に固定され、前記圧電補強板の前記一端は、前記折り返し部に固定され、前記振動素子接着台座は、前記第1の圧力入力口から入力される圧力P1と、前記第2の圧力入力口から入力される圧力P2との圧力差によって、軸方向に伸縮する前記第1及び第2のベローズの変移に応じて、前記軸方向へ変移し、前記圧電補強板は、前記圧電振動素子に加わる圧力が前記軸方向に加わるように作用し、前記圧電振動素子は、前記振動素子接着台座の前記変移によって受ける前記軸方向の応力により共振周波数が変化することを特徴とする。
請求項3記載の本発明によれば、一方のベローズを平面型ベローズとすることにより、圧力センサの軸方向長を減縮することを可能にし、更に他方の円筒型ベローズとしても必要最小限の直径寸法を有した小型のものを使用できるので、径方向寸法も減縮できる。
図1は本発明の第1の実施形態に係る圧力センサの構成を示す断面図である。
この圧力センサ1は、内部に真空、又は不活性な雰囲気を備えた気密ケース2と、気密ケース2の対向する第1及び第2の壁面3、4に夫々貫通形成された第1の圧力入力口3a及び第2の圧力入力口4aと、第1の壁面3に一端開口を固定されると共に第1の圧力入力口3aと連通する軸穴を備えた円筒型の第1のベローズ10と、第2の壁面4に一端開口を固定されると共に第2の圧力入力口4aと連通する軸穴を備え且つ第1のベローズ10と直列状に配置された円筒型の第2のベローズ11と、第1及び第2のベローズ10、11の各他端10a、11a同士の間に固定配置される振動素子接着台座15と、振動素子接着台座15によって支持された薄板状の圧電振動素子20と、第2のベローズ11を間に挟んで圧電振動素子20と対向する位置に配置された圧電補強板21と、圧電振動素子上の電極パターンと導通した発振回路30と、を備えている。圧電振動素子20は、第2の壁面4に一端を固定されると共に他端を振動素子接着台座15に固定されている。圧電補強板21は、第2の壁面4と振動素子接着台座15とによって両端部を固定されている。
圧電振動素子20は、例えば水晶基板に電極を形成した構成を備えている。
振動素子接着台座15は、両ベローズ10、11の他端部10a、11aによって挟まれた状態で固定される基部15aと、基部15aの外周から第2の壁面4へ向けて突出した支持片15bとを備えており、圧電振動素子20と圧電補強板21の他端部はいずれも支持片15bに固定されている。
各圧力入力口3a、4aは、各ベローズ10、11内部の軸孔と連通する一方で、各ベローズ内の軸孔同士は振動素子接着台座15の基部15aによって非連通状態に保持されている。従って、両圧力入力口3a、4aから入力される圧力P1、P2の圧力差によるベローズの伸縮によって振動素子接着台座15の位置はベローズの軸方向へ進退する。振動素子接着台座15に一端を固定され他端を第2の壁面4に固定された圧電振動素子20は、振動素子接着台座15から伝達される圧力によって軸方向への機械的応力を受けて変形し、固有の共振周波数が変動する。即ち、気密ケース2の適所に気密状態で配置した発振回路21と、圧電振動素子20を構成する圧電基板上の励振電極とを接続した状態で、励振電極に通電することによって圧電基板を励振させ、この時の出力周波数に基づいて圧力P1、或いは圧力P2を算出する。
次に、上記第1の実施形態では、ケース内に2個の円筒型ベローズを直列に配置したが、2個の円筒型ベローズの軸方向長を合せた分だけケースが大型化するため、圧力センサの小型化を図る上では不利である。
この圧力センサ1は、内部に真空、又は不活性な雰囲気を備えた気密ケース2と、気密ケース2の対向する第1及び第2の壁面3、4に夫々貫通形成された第1の圧力入力口3a及び第2の圧力入力口4aと、第1の壁面3に一端を固定されると共に第1の圧力入力口3aと連通する軸穴を備えた円筒型の第1のベローズ10と、第2の壁面4に一端を固定されると共に第2の圧力入力口4aと連通する軸穴を備えた円筒型の第2のベローズ11と、第1及び第2のベローズ10、11の各他端10a、11a同士の間に固定配置される振動素子接着台座15と、振動素子接着台座15によって支持された薄板状の圧電振動素子20と、第2のベローズ11を間に挟んで圧電振動素子20と対向する位置に配置された圧電補強板21と、圧電振動素子上の電極パターンと導通した発振回路30と、を備えている。圧電振動素子20は、第2の壁面4に一端を固定されると共に他端を振動素子接着台座15に固定されている。圧電補強板21は、第2の壁面4と振動素子接着台座15とによって両端部を固定されている。
第1のベローズ10は第2のベローズ11よりも小径であり、第1のベローズ10の他端10aは大径の第2のベローズの他端11aから第2のベローズの軸穴内に同軸状に入り込んでいる。
振動素子接着台座15は、第1のベローズ10の他端部10aに固定される中央板15Aと、中央板15Aの外周縁から第1の壁面3側へ筒状に延びる筒状部15Bと、筒状部15Bの先端を外側へ向けて折り返した折り返し部15Cと、から構成されている。第2のベローズ11の他端11aは折り返し部15Cの内側面に当接し固定されている。
つまり、振動素子接着台座15は、径の異なる2つのベローズ10、11を同軸状に支持するために、第1のベローズ11の他端10aを支持する中央板15Aと、第2のベローズ11の他端11aを支持する折り返し部15Cを一体に備えた構成を備えている。内径側に位置する中央板15Aと、外径側に位置する折り返し部15Cとは、軸方向位置を異ならせている点が特徴的であり、この構造によって2つのベローズの軸方向長を部分的に重複させることが可能となり、両ベローズの合計軸方向長を短縮して、ケースの小型化を実現することができる。
折り返し部15Cの先端の支持片は、圧電振動素子20と圧電補強板21の一端部を夫々固定している。圧電振動素子20と圧電補強板21の他端は、夫々第2の壁面4に固定される。
なお、第1の実施形態に示した発振回路21は、図3中には図示していないがケース2の適所に発振回路21が気密状態で組み込まれる点は同様である。
また、2つの円筒型ベローズを直列的に配置するのではなく、一方のベローズの軸穴内に他方のベローズを嵌合配置する構成としたので、圧力センサを小型化することができる。
図2の実施形態に係る圧力センサにおいては、径の異なる2つの円筒型ベローズを入れ子式に同軸状に配置したため、軸方向長を短縮することは可能であるが、一方のベローズの外側に他方のベローズを配置する構成であるため、外側のベローズの径方向寸法が大きくならざるを得ないと共に、振動素子接着台座15の構成が複雑化し、組付け手数が増大する虞がある。
即ち、この圧力センサ1は、対向する第1及び第2の壁面3、4に夫々第1の圧力入力口3aと第2の圧力入力口4aを備えると共に、第1及び第2の壁面3、4間を連結する側壁5を備えた気密ケース2と、外周縁12aを側壁5に固定されることにより側壁5と第1の壁面3との間で第1の圧力入力口3aと連通した第1の気密空間S1を形成する平面型の第1のベローズ(平面型に加工した受圧部)12と、第2の壁面4に一端を固定されると共に第2の圧力入力口4aと連通する軸穴を備え且つ第1のベローズ12と直列状に配置された円筒型の第2のベローズ11と、第1のベローズ12の中心部12bと第2のベローズ11の他端11aとの間に固定配置される振動素子接着台座15と、振動素子接着台座15によって支持された薄板状の圧電振動素子20と、圧電振動素子20上の電極パターンと導通した図示しない発振回路と、を備えている。更に、圧電振動素子20は、第2の壁面4に一端を固定されると共に他端を振動素子接着台座15に固定されている。更に、第2のベローズ11を間に挟んで圧電振動素子20と対向する位置において、第2の壁面4と振動素子接着台座15との間に圧電補強板21を固定している。
第1のベローズ12の外周縁12aはその全周を、側壁5内周に設けた段差状の支持部5aによって固定的に支持されることにより、第1の気密空間S1を形成する一方、反対側には第2のベローズ11等が収容される第2の気密空間S2を形成する。
なお、第1のベローズ12の外周縁12aは所定幅に亘って所定以上の剛性を有するように構成することにより、側壁5によって支持された際の安定性を確保する。また、第1のベローズ12の中心部12bも所定範囲に亘って所定以上の剛性を有するよう構成することにより振動素子接着台座15の中心部に位置する突起状の連結部材16との連結された際の安定性を確保する。外周縁12a、中心部12b以外のベローズ部分は撓み変形が可能となるように構成される。
なお、上記実施形態では、第1のベローズ12の外周縁12aを側壁5の内壁によって支持する構成を採用したが、図4に示すように第1の壁面3の外周の一部を下方に垂下させた段差状の支持部3Aを設けることにより、第1の壁面3の一部によって第1のベローズの外周縁12aを支持するようにしてもよい。
なお、圧電振動素子20と対向した位置に圧電補強板21が位置しているため、圧電振動子20には長辺方向(水晶振動素子の場合には、Y軸方向)からの力だけが加わることとなり、圧電振動素子本来の圧力−周波数特性が2次曲線を示すこととなる。従って、圧力P1に応じて圧電振動素子20の共振周波数は直線的に変化し、高精度な圧力センサを得ることができる。特に、第1ベローズ12として平面型のベローズを使用できるので、軸方向長を短縮できるばかりでなく、第2ベローズ11の径寸法としても必要最小限のサイズのものを使用できるので、圧力センサの径方向寸法を必要最小限に極限することができる。
また、平面型ベローズを用いたことにより、横方向(X軸方向)からの衝撃に対して十分な強度を得られ、耐衝撃性や耐振動性において大幅な改善が可能となり、信頼性を高めることが出来る。
上記各実施形態において説明した各圧力センサは、水圧センサ(水深センサ)、気圧センサ、差圧センサ等に適用することができる。
Claims (3)
- 対向する第1及び第2の壁面に夫々第1の圧力入力口と第2の圧力入力口とを備えた気密ケースと、
該第1の壁面に一端を固定されると共に第1の圧力入力口と連通する軸穴を備えた円筒型の第1のベローズと、
該第2の壁面に一端を固定されると共に第2の圧力入力口と連通する軸穴を備え且つ第1のベローズと直列方向に配置された円筒型の第2のベローズと、
該第1及び第2のベローズの各他端同士の間に固定配置される振動素子接着台座と、
該振動素子接着台座によって一端を固定され、他端を前記第2の壁面によって固定された圧電振動素子と、
前記第2のベローズを間に挟んで前記圧電振動素子と対向する位置に、前記振動素子接着台座によって一端を固定され、他端を前記第2の壁面によって固定された圧電補強板と、を備え、
前記振動素子接着台座は、前記第1の圧力入力口から入力される圧力P1と、前記第2の圧力入力口から入力される圧力P2との圧力差によって、前記直列方向に伸縮する前記第1及び第2のベローズの変移に応じて、前記直列方向を軸方向として、該軸方向へ変移し、
前記圧電補強板は、前記圧電振動素子に加わる圧力が前記軸方向に加わるように作用し、
前記圧電振動素子は、前記振動素子接着台座の前記変移によって受ける前記軸方向の応力により共振周波数が変化することを特徴とする圧力センサ。 - 対向する第1及び第2の壁面に夫々第1の圧力入力口と第2の圧力入力口とを備えた気密ケースと、
該第1の壁面に一端を固定されると共に第1の圧力入力口と連通する軸穴を備えた円筒型の第1のベローズと、
該第2の壁面に一端を固定されると共に第2の圧力入力口と連通する軸穴を備えた円筒型の第2のベローズと、
該第1及び第2のベローズの各他端同士の間に固定配置される振動素子接着台座と、
該振動素子接着台座によって一端を固定され、他端を前記第2の壁面によって固定された圧電振動素子と、
前記第2のベローズを間に挟んで前記圧電振動素子と対向する位置に、前記振動素子接着台座によって一端を固定され、他端を前記第2の壁面によって固定された圧電補強板と、を備え、
前記第1のベローズの軸穴は第2のベローズの軸穴よりも小径であり、
前記第1のベローズの他端は第2のベローズの他端から該第2のベローズの軸穴内に同軸上に入り込んでおり、
前記第1のベローズの他端は第2のベローズの他端から該第2のベローズの軸穴内に同軸上に入り込んでおり、
前記振動素子接着台座は、前記第1のベローズの他端部に固定される中央板と、該中央板の外周縁から前記第1の壁面に向かって筒状に延びる筒状部と、該筒状部の先端を外側へ向けて折り返した折り返し部と、を有し、
前記第2のベローズの他端は前記折り返し部に固定され、
前記圧電振動素子の前記一端は、前記折り返し部に固定され、
前記圧電補強板の前記一端は、前記折り返し部に固定され、
前記振動素子接着台座は、前記第1の圧力入力口から入力される圧力P1と、前記第2の圧力入力口から入力される圧力P2との圧力差によって、軸方向に伸縮する前記第1及び第2のベローズの変移に応じて、前記軸方向へ変移し、
前記圧電補強板は、前記圧電振動素子に加わる圧力が前記軸方向に加わるように作用し、
前記圧電振動素子は、前記振動素子接着台座の前記変移によって受ける前記軸方向の応力により共振周波数が変化することを特徴とする圧力センサ。 - 対向する第1及び第2の壁面に夫々第1の圧力入力口と第2の圧力入力口を備え、該第1及び第2の壁面間を連結する側壁を備えた気密ケースと、
外周縁を前記第1の壁面又は前記側壁に設けた支持部に固定することにより、前記第1の壁面との間、又は前記第1の壁面及び前記側壁との間で前記第1の圧力入力口と連通した第1の気密空間を形成し、前記側壁と前記第2の壁面との間で第2の気密空間を形成する平面型の第1のベローズと、
前記第2の気密空間内に配置され、該第2の壁面に一端を固定されると共に前記第2の圧力入力口と連通する軸穴を備え、前記第1のベローズと直列方向に配置された円筒型の第2のベローズと、
該第1のベローズの中心部と該第2のベローズの他端との間に固定配置される振動素子接着台座と、
該振動素子接着台座によって一端を固定され、他端を前記第2の壁面によって固定された圧電振動素子と、
前記第2のベローズを間に挟んで前記圧電振動素子と対向する位置に、前記振動素子接着台座によって一端を固定され、他端を前記第2の壁面によって固定された圧電補強板と、を備え、
前記振動素子接着台座は、前記第1の圧力入力口から入力される圧力P1と、前記第2の圧力入力口から入力される圧力P2との圧力差によって、前記直列方向に伸縮する前記第1及び第2のベローズの変移に応じて、前記直列方向を軸方向として、該軸方向へ変移し、
前記圧電補強板は、前記圧電振動素子に加わる圧力が前記軸方向に加わるように作用し、
前記圧電振動素子は、前記振動素子接着台座の前記変移によって受ける前記軸方向の応力により共振周波数が変化することを特徴とする圧力センサ。
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